CN106019456B - 一种金属介质膜光栅的消色差相位延迟器 - Google Patents
一种金属介质膜光栅的消色差相位延迟器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光学器件技术领域，涉及一种金属介质膜光栅的消色差相位延迟器，其主体结构包括自上而下的SiO2覆盖膜层和银质光栅结构，所述光栅结构上有通过蚀刻方法获得的光栅槽，该发明涉及的主要参数如下，覆盖膜层的折射率为1.46，覆盖膜层的厚度为154.2nm，光栅槽槽深为139.7nm，光栅结构的占空比为0.14，光栅结构的周期为68nm，入射角为20°‑40°，该发明在900‑1200nm波段其相位延迟量在90°的范围内最大偏差小于2.3％，该发明采用金属介质膜光栅结构，其透射率高、宽光谱、偏振性能好，适合工艺上的生产制备，性能上满足光学领域对位相延迟器的要求，其主体结构简单，安装使用方便，具有良好的市场应用前景，应用环境友好。
Description
技术领域:
本发明属于光学器件技术领域，涉及一种消色差相位延迟器，特别是一种金属介质膜光栅的消色差相位延迟器。
背景技术:
光学相位延迟器是光学仪器设计与光学测量系统中的常用元件之一，它能够使得偏振光的两个垂直分量产生附加光程差(或相位差)，从而可用于改变光波的偏振态(例如从线偏振光变成圆偏振光，从椭圆偏振光变成线偏振光等)，或者检查光波的偏振态。根据相位延迟量的不同可分为1/4波片、1/2波片和全波片等。传统相位延迟器通常采用具有双折射特性的双折射晶体、多层介质膜或液晶等制作。消色差相位延迟器大大消弱了相位延迟量对波长的依赖关系，可以在宽光谱下对偏振光的调制。实现消色差通常有复合波片、多层介质薄膜和光栅型三种形式。复合波片有二元复合波片和三元复合波片，复合波片是由若干片晶片组合而成，且各片晶片的光轴互成一定的角度。其中，由两片相同材料的晶片按光轴夹角为90°构成的复合波片可以抵消大部分的晶体厚度，但没有消色差功能；而由不同种材料的两片或多片晶片组合而成的复合波片能够消除波片本身的色差，称为消色差复合波片。复合波片的这种改善波片加工精度及消除波片本身色差的性能是单片晶片所不具有的，因此使得复合波片在光学仪器设计与光学测量中被大量使用。双波片通常是指由两个同种材料或不同材料的零级波片组合而成的复合波片，是复合波片中最简单最常用的一种。但是，由不同材料制作的消色差双波片的消色差波段范围也很有限，尤其是在紫外波段，这样的消色差双波片的适用波段范围更窄，而且复合波片对波长、温度和入射角度极为敏感，调节和使用需要极高的精度；而多层介质薄膜形式通常是由层薄膜交替沉积而成，结构比较复杂，制作成本高；传统的光栅实现位相延迟器需要精密的介质膜层，而且厚度对光栅结构的容差较小。因此，涉及制备一种亚波长金属介质膜光栅的宽光谱消色差相位延迟器，金属介质膜光栅的结构，能够在900nm-1200nm的波段范围内稳定实现消色差功效，性能优异，同时槽深和入射角具有较大的工艺容差，能够满足光学领域对位相延迟器的要求。
发明内容:
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对红外波段，寻求设计一种金属介质膜光栅的消色差相位延迟器，该发明对于中心波长为1053nm的水平极化波(TE波)和垂直极化波(TM波)，能在900nm-1200nm的波段范围，在0级实现消色差1/4相位，消弱相位延迟量对波长的依赖关系，在宽光谱下对偏振光调制效果好。
为了实现上述目的，本发明涉及的金属介质膜光栅的消色差相位延迟器的主体结构包括：覆盖膜层、光栅结构、光栅槽和基座，SiO2材质的覆盖膜层为平面薄膜结构，覆盖膜层的厚度为154.2nm，覆盖膜层固定置于光栅结构的具有光栅槽的侧面上，覆盖膜层的折射率色散影响小，覆盖膜层的折射率n＝1.46；覆盖膜层在光栅结构的衍射过程中实现波导层的功效并能够保护光栅结构；光栅结构的材质为金属银，金属银的折射率随着波长的变化成正相关，光栅结构具有剩余厚度，能够提高光的反射率，还能够降低光栅的制备难度，光栅结构的上表面处通过蚀刻工艺制得并列式分布的光栅槽，光栅槽的深度为139.7nm；光栅结构的占空比为0.14，光栅结构的周期为68nm；SiO2材质的基座固定置于光栅结构的下表面处，支撑稳定光栅结构；该发明涉及的入射光的波长为900nm-1200nm，入射角度为20°-40°。
本发明涉及的金属介质膜光栅的消色差相位延迟器的主体结构参数计算工艺如下：将光栅结构分成许多平行的薄层，利用耦合波方程求解每一层中的电磁场，在每一层的边界上按顺序应用边界条件，通过数值计算求解每层麦克斯韦方程组，获得各衍射级次透射振幅系数ETE、ETM，即波的衍射效率；其中，
则相位差为：
其中，ETE、ETM为各衍射级次透射振幅系数，为TE波和TM波的相位，为TE波和TM波的相位差，angle为求解复数幅角的函数；
利用Drude模型描述银的色散关系：
其中，ε∞是介电常数值为2.3646的大频率的极限值，ω是入射波长的角频率，γD＝0.07489eV是阻尼振荡的频率，ωD＝8.7377eV是多数等离子体频率，ωL1＝4.3802eV，gL1＝0.26663，γL1＝0.28eV，gL2＝0.7337，ωL2＝5.183eV，Δε＝1.1831，γL2＝0.5482eV，上述这些参数提供了关于银的介电常数的数据，因此银在900nm-1200nm范围的折射率近似采用n＝0.2309-7.1452i；以与90°的差值的绝对值为优化目标函数，计算出全局最优设计结果：
RMS＝mean(abs(90-deltafi)) (4)
其中，deltafi为TE和TM的相位差，RMS为最佳适应度，其值越小，代表相位差越接近90°，所设计的光栅结构性能越优良；为使相位延迟量在90°左右，利用严格耦合波理论(RCWA)，建立1/4相位延迟器的结构性能评价函数，当入射光波长在900nm-1200nm时，采用遗传算法，对光栅结构的周期、占空比和光栅槽槽深等参数进行优化，计算出本发明涉及的相位延迟器的最优参数如下：覆盖膜层的折射率na为1.46,覆盖膜层的厚度dSiO2为154.2nm，光栅槽的槽深D为139.7nm，光栅结构的占空比f为0.14，光栅周期Λ为68，入射角θ为20°-40°，入射波长λ为900nm-1200nm。
如图2所示，横坐标代表入射波波长变化范围900nm-1200nm，纵坐标代表0级TE波和TM波的相位，图2表明TE波和TM波有位相跟随的特性，其延迟量在90°±2°之间，有相对固定的相位差；图3和图4所示的TE波与TM波的相位差随波长变化关系图中，能够更直观的观察TE波和TM波的相位差，波长在900—1200nm之间变化时，光栅结构的相位延迟为90°±2°，当光栅结构达到90°的相位延迟时，需要两种偏振模式下的光有较高的衍射效率，为提高相位延迟器的衍射效率，采用反射光；图5所示呈现出衍射效率随波长的变化关系，由于金属较强的吸收特性，很难获得高衍射效率和抗激光损伤阈值，金属有较高的反射率，所以TE波和TM波的衍射效率高于90％，实现了消色差1/4相位延迟，其延迟量在90°±2°之间；图6为0级TE波与TM波的相位差随波长和入射角的变化图，入射角在20°—40°之间，波长在900nm—1200nm之间变化时，能够使得相位差在90°左右，波长和入射角有比较大的变化空间。
本发明与现有技术相比，采用金属介质膜光栅结构，透射率高、宽光谱、偏振性能好，相位延迟量保持在90°左右，偏差不超过2.3％，其光谱带宽能够达到300nm，基于严格耦合波理论，其工艺容差在合理范围内，性能上满足光学领域对位相延迟器的要求；其主体结构简单，光学性能稳定，相位延迟效果好，应用环境友好，市场前景广阔。
附图说明
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的TE波和TM波相位跟随特性图。
图3为本发明涉及的TE波与TM波的相位延迟量的光谱曲线图。
图4为本发明涉及的相位延迟量在2°以内的光谱曲线图。
图5为本发明涉及的衍射效率光谱曲线图。
图6为本发明涉及的相位差随波长和入射角的变化曲图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例：
本实施例涉及的金属介质膜光栅的消色差相位延迟器的主体结构包括覆盖膜层1、光栅结构2、光栅槽3和基座4，SiO2材质的覆盖膜层1为平面薄膜结构，覆盖膜层1的厚度为154.2nm，覆盖膜层1固定置于光栅结构2的具有光栅槽3的侧面上，覆盖膜层1的折射率色散影响小，覆盖膜层1的折射率n＝1.46；覆盖膜层1在光栅结构2的衍射过程中实现波导层的功效并能够保护光栅结构2；光栅结构2的材质为金属银，金属银的折射率随着波长的变化成正相关，光栅结构2具有剩余厚度，能够提高光的反射率，还能够降低光栅的制备难度，光栅结构2的上表面处通过蚀刻工艺制得并列式分布的光栅槽3，光栅槽3的深度为139.7nm；光栅结构2的占空比为0.14，光栅结构2的周期为68nm；SiO2材质的基座4固定置于光栅结构2的下表面处，支撑稳定光栅结构2；该实施例涉及的入射光的波长为900nm-1200nm，入射角度为20°-40°。
本实施例涉及的金属介质膜光栅的消色差相位延迟器的主体结构参数计算工艺如下：将光栅结构2分成许多平行的薄层，利用耦合波方程求解每一层中的电磁场，在每一层的边界上按顺序应用边界条件，通过数值计算求解每层麦克斯韦方程组，获得各衍射级次透射振幅系数ETE、ETM，即波的衍射效率；其中，
则相位差为：
其中，ETE、ETM为各衍射级次透射振幅系数，为TE波和TM波的相位，为TE波和TM波的相位差，angle为求解复数幅角的函数；
利用Drude模型描述银的色散关系：
其中，ε∞是介电常数值为2.3646的大频率的极限值，ω是入射波长的角频率，γD＝0.07489eV是阻尼振荡的频率，ωD＝8.7377eV是多数等离子体频率，ωL1＝4.3802eV，gL1＝0.26663，γL1＝0.28eV，gL2＝0.7337，ωL2＝5.183eV，Δε＝1.1831，γL2＝0.5482eV，上述这些参数提供了关于银的介电常数的数据，因此银在900nm-1200nm范围的折射率近似采用n＝0.2309-7.1452i；以与90°的差值的绝对值为优化目标函数，计算出全局最优设计结果：
RMS＝mean(abs(90-deltafi)) (4)
其中，deltafi为TE和TM的相位差，RMS为最佳适应度，其值越小，代表相位差越接近90°，所设计的光栅结构2性能越优良；为使相位延迟量在90°左右，利用严格耦合波理论(RCWA)，建立1/4相位延迟器的结构性能评价函数，当入射光波长在900nm-1200nm时，采用遗传算法，对光栅结构2的周期、占空比和光栅槽3槽深等参数进行优化，计算出本实施例涉及的相位延迟器的最优参数如下：覆盖膜层1的折射率na为1.46,覆盖膜层1的厚度dSiO2为154.2nm，光栅槽3的槽深D为139.7nm，光栅结构的占空比f为0.14，光栅周期Λ为68，入射角θ为20°-40°，入射波长λ为900nm-1200nm。
如图2所示，横坐标代表入射波波长变化范围900nm-1200nm，纵坐标代表0级TE波和TM波的相位，图2表明TE波和TM波有位相跟随的特性，其延迟量在90°±2°之间，有相对固定的相位差；图3和图4所示的TE波与TM波的相位差随波长变化关系图中，能够更直观的观察TE波和TM波的相位差，波长在900—1200nm之间变化时，光栅结构2的相位延迟为90°±2°，当光栅结构2达到90°的相位延迟时，需要两种偏振模式下的光有较高的衍射效率，为提高相位延迟器的衍射效率，采用反射光；图5所示呈现出衍射效率随波长的变化关系，由于金属较强的吸收特性，很难获得高衍射效率和抗激光损伤阈值，金属有较高的反射率，所以TE波和TM波的衍射效率高于90％，实现了消色差1/4相位延迟，其延迟量在90°±2°之间；图6为0级TE波与TM波的相位差随波长和入射角的变化图，入射角在20°—40°之间，波长在900nm—1200nm之间变化时，能够使得相位差在90°左右，波长和入射角有比较大的变化空间。
Claims (2)
1.一种金属介质膜光栅的消色差相位延迟器，其特征在于其主体结构包括：覆盖膜层、光栅结构、光栅槽和基座，SiO2材质的覆盖膜层为平面薄膜结构，覆盖膜层的厚度为154.2nm，覆盖膜层固定置于光栅结构的具有光栅槽的侧面上，覆盖膜层的折射率n＝1.46；光栅结构的材质为金属银，光栅结构具有剩余厚度，能够提高光的反射率，还能够降低光栅的制备难度，光栅结构的上表面处通过蚀刻工艺制得并列式分布的光栅槽，光栅槽的深度为139.7nm；光栅结构的占空比为0.14，光栅结构的周期为68nm；SiO2材质的基座固定置于光栅结构的下表面处，支撑稳定光栅结构；入射光的波长为900nm-1200nm，入射角度为20°-40°。
2.根据权利要求所述的金属介质膜光栅的消色差相位延迟器，其特征在于其主体结构参数计算工艺如下：将光栅结构分成许多平行的薄层，利用耦合波方程求解每一层中的电磁场，在每一层的边界上按顺序应用边界条件，通过数值计算求解每层麦克斯韦方程组，获得各衍射级次透射振幅系数ETE、ETM，即波的衍射效率；其中，
TE:φTE＝angle(ETE)，TM:φTM＝angle(ETM) (1)
则相位差为：Δφ＝φTE-φTM (2)
其中，ETE、ETM为各衍射级次透射振幅系数，φTE、φTM为TE波和TM波的相位，Δφ为TE波和TM波的相位差，angle为求解复数幅角的函数；
利用Drude模型描述银的色散关系：
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其中，ε∞是介电常数值为2.3646的大频率的极限值，ω是入射波长的角频率，γD＝0.07489eV是阻尼振荡的频率，ωD＝8.7377eV是多数等离子体频率，ωL1＝4.3802eV，gL1＝0.26663，γL1＝0.28eV，gL2＝0.7337，ωL2＝5.183eV，Δε＝1.1831，γL2＝0.5482eV，上述这些参数提供了关于银的介电常数的数据，因此银在900nm-1200nm范围的折射率近似采用n＝0.2309-7.1452i；以与90°的差值的绝对值为优化目标函数，计算出全局最优设计结果：
RMS＝mean(abs(90-deltafi)) (4)
其中，deltafi为TE和TM的相位差，RMS为最佳适应度，其值越小，代表相位差越接近90°，所设计的光栅结构性能越优良；为使相位延迟量在90°左右，利用严格耦合波理论(RCWA)，建立1/4相位延迟器的结构性能评价函数，当入射光波长在900nm-1200nm时，采用遗传算法，对光栅结构的周期、占空比和光栅槽槽深等参数进行优化，计算出相位延迟器的最优参数如下：覆盖膜层的折射率na为1.46,覆盖膜层的厚度dSiO2为154.2nm，光栅槽的槽深D为139.7nm，光栅结构的占空比f为0.14，光栅周期Λ为68，入射角θ为20°-40°，入射波长λ为900nm-1200nm。
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Legal Events
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